便攜式甲醛及PM2.5檢測儀設計

周岳斌， 王 冬， 楊 凱， 陳青青

（1.湖北文理學院機械與汽車工程學院，湖北 襄陽 441053；2.汽車零部件制造裝備數字化湖北省協同創新中心，湖北 襄陽 441053）

引言

甲醛在有毒化學品優先處理名單中排在第二位，世界衛生組織已把它確立為致癌和致畸化學品。隨著物質生活水平的提高，越來越多的人開始關注自己居住環境的甲醛含量。PM2.5是空氣中細顆粒物，PM2.5粒徑小，面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質，且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，對人體健康和大氣環境質量的影響大。目前，對于甲醛的檢測主要有電化學檢測法、分光度法、氣相色譜法和液相色譜法等；對于PM2.5的檢測主要有光散射法、震蕩天平法以及稱重法。市面上的甲醛檢測儀和PM2.5檢測儀大都是獨立個體，檢測功能單一、靈敏度較低、智能化程度不高。少數廠家推出的具有多種氣體檢測功能的產品，相對價格昂貴、體積較大，不便于攜帶，不適于普通家庭和辦公室等場所的持有和使用［1－4］。

1 系統設計方案

本設計提出了一種便攜式甲醛及PM2.5系統方案，系統結構如圖1所示。系統主要功能模塊包括甲醛檢測模塊、PM2.5檢測模塊、溫濕度檢測模塊、微處理器模塊、無線收發模塊、液晶顯示模塊和按鍵輸入模塊。

微處理器模塊上的主控芯片有PA、PB、PC三組端口，各有16個引腳，可設置為ADC、PWM、SPI、I2C、串口、數字I／O等多種接口模式，其中甲醛檢測模塊連接到ADC接口，PM2.5檢測模塊連接到PWM接口，溫濕度檢測模塊連接到I2C接口，無線收發模塊連接到SPI接口，液晶顯示模塊和按鍵輸入模塊連接到數字I／O接口。

圖1 系統結構圖

2 主要功能模塊設計

2.1 甲醛檢測

甲醛檢測模塊電路如圖2所示，包括電化學式甲醛傳感器、信號放大電路、溫度補償電路。甲醛傳感器選用英國達特（DART）公司產品，具有穩定的線性度，高速的響應時間，測量靈敏度達到0.01×10－6，可實現甲醛信號的采集。該傳感器內含一個兩電極燃料電池傳感器，通過其內部貴金屬電極與甲醛產生電化學反應，將甲醛濃度轉換為微弱模擬電流信號，輸出的電流值與空氣中從零到高濃度的甲醛濃度呈線性關系。信號放大電路接成電流轉電壓的放大電路形式，使用一個雙電源供電的低功率、低噪聲運算放大器，將甲醛傳感器輸出的微弱模擬電流信號進行放大。溫度補償電路通過在運算放大器反饋回路中加入一個負溫度系數的熱敏電阻來實現，該熱敏電阻可以通過與其他電阻的串并聯進行修正。

圖2 甲醛檢測模塊電路

在微處理器模塊的軟件控制下，熱敏電阻的補償會更加精確，經過溫度補償，甲醛傳感器的線性度可達5×10－6。信號放大電路采用負反饋放大結構，對輸入的甲醛濃度信號進行等比線性放大和降噪處理，然后送入微處理器模塊的ADC接口進行模數轉換，通過1個12位的μs級ADC將放大后的甲醛濃度模擬信號轉換為數字信號，再由微處理器模塊的主控芯片對其進行數字濾波和數制轉換，得到的測量數據通過I／O接口送入液晶顯示模塊的液晶驅動電路，實現測試數據和控制界面的顯示［5－6］。

2.2 PM2.5檢測

PM2.5檢測模塊電路如圖3所示，包括灰塵傳感器、光耦隔離電路。灰塵傳感器選用DSM501A，基于光散射原理，采用粒子計數的方法，檢測空氣中的灰塵濃度，輸出5V的PWM脈寬調制信號。DSM501A具有內置加熱器，加熱導致外部空氣流進模塊內部，空氣中的灰塵粒子被LED光源發出的探測光照射后，引起探測光發生散射，散射光經過透鏡匯聚后，光電轉換器PT把光脈沖轉化成電脈沖，再經過電路的進一步放大輸出，完成對粒子個數的計數以及粒子大小的判斷［7］。該傳感器可以感知1μm以上微小粒子，它體積小、重量輕、便于安裝且保養簡單。

圖3 PM2.5檢測模塊電路

DSM501A傳感器送出的PWM脈沖信號，輸入光耦隔離電路TLP112A，進行電平轉換、光電隔離以及功率驅動，將信號傳入微處理器模塊的數字I／O接口，由主控芯片完成PWM脈寬調制信號的低脈沖率計算來獲得PM2.5濃度。

2.3 溫濕度檢測

溫濕度檢測模塊電路如圖4所示，采用一個含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器SHT11。該傳感器采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有極高的可靠性與穩定性。將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，包含一個阻式感濕元件和一個測溫元件。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。采用單線制串行接口，輸出完全標定的數字信號，可與微處理器模塊4的數字I／O接口直接相連。

圖4 溫濕度檢測模塊電路

2.4 微處理器

微處理器模塊電路如圖5所示，采用32位單片處理器STM32F103RCT6作為主控芯片，其最高主頻為72MHz，48K字節的RAM，256K字節的FLASH，在性能上大大縮短了中斷響應的時間，同時處理器功耗很低。該芯片集成了CAN、I2C、SPI、UART等常用通信接口，具有靈活的連通性。

2.5 無線收發

無線收發模塊包括天線和無線收發器，采用NRF24L01作為無線收發器，通過一個SPI接口就可與微處理器模塊連接。NRF24L01可工作于2.4～2.5GHz頻段，內置頻率發生器、模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器，輸出功率和通信頻道可由微處理器模塊的主控芯片進行配置。利用無線收發模塊或微處理器模塊的串口，上位機可查閱歷史數據，觀察數據曲線，進行數據分析。

圖5 微處理器模塊電路

2.6 液晶顯示與按鍵輸入

液晶顯示模塊采用點陣字符型液晶顯示元件LCD1602，其中包括液晶驅動電路和液晶顯示屏，采用8位數據傳輸方式，通過一個標準的16針雙排插口連接到微處理器模塊的數字I／O接口。按鍵輸入模塊采用4×4薄膜鍵盤，通過一個標準的8針單排插口連接到微處理器模塊的數字I／O接口。

3 結語

通過介紹了一種便攜式甲醛與PM2.5檢測儀的設計，主要包括甲醛檢測、PM2.5檢測、溫濕度檢測、微處理器、無線收發、液晶顯示和按鍵輸入功能模塊。該檢測儀采用電化學式甲醛傳感器和光學灰塵傳感器，具有良好的靈敏度和響應速度，使用方便，可同時檢測和監控甲醛、PM2.5和溫濕度，適用于家庭、辦公室等場所。

［1］ 程望斌，周海燕.基于光譜法的甲醛濃度檢測系統設計與實現［J］.湖南理工學院學報（自然科學版），2011，24（1）：55－58.

［2］ 孟繁碩.袖珍型甲醛檢測儀的設計［D］.呼和浩特：內蒙古工業大學，2013.

［3］ 王嘯東.PM2.5粉塵顆粒檢測儀的研制［J］.電子世界，2013（16）：96.

［4］ 毛朔南，馬宇明，蔡冶強，等.PM2.5檢測標準及量值溯源方法現狀及進展［J］.中國計量，2013（3）：30－32.

［5］ 蘭羽，盧慶林.基于AT89C52的便攜式甲醛檢測儀設計［J］.機械與電子，2014（1）：67－70.

［6］ 桂彩云，楊宏亮.室內甲醛含量自動檢測系統的設計與實現［J］.國外電子測量技術，2014，33（7）：40－44.

［7］ 楊永杰，張裕勝，楊賽程，等.一種PM2.5檢測傳感器設計［J］.傳感器與微系統，2014，33（3）：76－79.